水下岩土钻探设备及水下岩土勘探方法技术

本发明专利技术提供了一种水下岩土钻探设备，包括反力支撑装置，用于为水下岩土钻探设备提供反力；设置在所述反力支撑装置上以产生负压的真空形成装置；设置在所述反力支撑装置内用于钻进钻杆的钻进装置；设置在所述反力支撑装置内、用于控制钻杆的钻进的控制装置；以及钻进数据测量和处理装置。根据本发明专利技术的水下岩土钻探设备以钻进方式勘查海底泥面以下岩土层，由于反力支撑装置能够为水下岩土钻探设备的钻进提供足够的反力，从而可以顺利地进行水下钻进以获得钻进参数，并可得到岩石和土体物理力学特性参数及其沿深度的变化，并确定海洋岩土地基的承载能力和模量。本发明专利技术还公开一种采用上述水下岩土钻探设备的水下岩土勘探方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种岩土钻探，尤其是涉及一种用于水下、特别是海底的岩土勘测的水下岩土钻探设备及其水下岩土勘探方法。
技术介绍
二十一世纪是海洋资源开发的新世纪，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海 洋产业作为国家发展的战略目标。随着海洋产业的发展，海洋不但会成为人类未来重要的 资源、特别是能源基地，也会成为世界各国争夺扩展和发展空间的主要战场。在对未知与未 来的探测方面，深海洋底与太空一样，具有很强的吸引力和挑战性。随着人类开发深水资源 步伐的不断加快与深水资源开发相关的工程技术已经和正在成为世界工业史上科技创新 的热点之一。 我国已将海洋资源开发作为国家的重大需求，开发和利用海洋作为国家的基本国 策。海洋资源开发对我国具有重大战略意义，同时机遇和挑战并存。深海水下岩土工程勘 察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设计与施工中不可或缺的关键支 撑技术，也是制约我国深海开发的关键技术。开发海洋岩土工程勘探设备和测控技术对我 国深海资源开发具有重要的工程价值和实用意义，并将填补国内海洋岩土工程勘探技术的 空白，为进行海洋岩土工程特性研究、大型海洋工程结构物_岩土相互作用和安全评价提 供有力的技术支持。 深海水下岩土工程勘察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设 计与施工中的关键支撑技术，但我国目前拥有的海洋水下岩土工程勘探技术主要是由国外 购进或者租借的、且仅适用于水深30米以浅的近海或近岸工程。对30米以深、特别是100 米到1000米水深的海底岩土工程勘察工作，基本上是委托美国、日本和荷兰等海洋科技发 达国家的公司来完成的，难以充分掌握第一手资料并造成有关信息情报流失。所以，在深 海水下岩土工程勘察与探测技术方面，我国基本上没有拥有自己独立知识产权的设备和技 术，这已成为严重制约我国深海采油平台等大型海洋工程设施建设中的重大瓶颈技术难题 之一。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出 一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下岩土钻探设备。 进一步地，本专利技术需要提供一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下岩土勘探方法。 根据本专利技术的水下岩土钻探设备，可以包括反力支撑装置，用于为水下岩土钻探 设备提供反力；真空形成装置，所述真空形成装置可以设置在所述反力支撑装置上，用于在 反力支撑装置中产生负压；钻进装置，所述钻进装置可以设置在所述反力支撑装置内用于 钻进钻杆；控制装置，所述控制装置可以设置在所述反力支撑装置内，用于控制钻杆的钻进；以及钻进数据测量和处理装置，所述钻进数据测量和处理装置可以用于测量并处理钻 杆的钻进参数。 根据本专利技术的水下岩土钻探设备以钻进方式勘查海底泥面以下岩土层，由于所述反力支撑装置为水下岩土钻探设备的钻进提供足够的反力，从而使得所述水下岩土钻探设备可以在水下进行安全工作，并可获得水下的钻进参数，从而可得到岩石和土体物理力学特性参数及其沿深度的变化，并确定海洋岩土地基的承载能力和模量。 另外，根据本专利技术的水下岩土钻探设备还具有如下附加技术特征中的至少一个 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备还包括钻杆续接装置，所述钻杆续接装置与钻进装置相邻设置，用于续接所述钻杆。 根据本专利技术的一个实施例，所述钻杆续接装置包括至少一个联结钻杆；联结钻 杆放置装置，所述联结钻杆放置装置用于容纳所述联结钻杆；旋转电机，所述旋转电机用于 将联结钻杆放置装置旋转至预定位置；以及推进直线电机，所述推进直线电机用于推进已 安置的联结钻杆，以与所述钻杆进行续接。 根据本专利技术的一个实施例，所述钻杆续接装置还包括卡盘联结装置，用于在联结 钻杆和所述钻杆进行续接过程中进行卡接。 根据本专利技术的一个实施例，当旋转电机将联结钻杆放置装置旋转至预定位置时， 卡盘联结装置与预定容纳孔相卡接，使预定的联结钻杆通过卡盘连接装置由推进杆推动， 进而与钻杆进行续接。 根据本专利技术的一个实施例，所述反力支撑装置包括钻杆放置和控制舱，用于容纳 钻杆和所述控制装置；钻杆连接和推进舱，所述钻杆连接和推进舱与所述钻杆放置和容纳 舱相连接，用于容纳所述钻进装置；真空钻进舱，所述真空钻进舱与所述钻杆连接和推进舱 进行连接；以及贯入舱，所述贯入舱与所述真空钻进舱连接，用于贯入到水下岩土内。 根据本专利技术的一个实施例，所述真空钻进舱和所述贯入舱之间设置有分离板，用 于防止水下岩土中的泥浆进入所述真空钻进舱，以实现水和泥浆的隔离。 根据本专利技术的一个实施例，所述负压可以为-60kPa -80kPa。所述负压可为推进 钻杆提供足够的反力，以对抗深海洋底形成的巨大水压力和气压差。根据本专利技术的一个实施例，所述真空形成装置包括排水排气管；水泵，所述水泵抽出所述贯入舱和真空钻进舱内的水，并通过排水排气管排出；以及真空泵，所述真空泵经由所述排水排气管将真空钻进舱和贯入舱的气体排出至预定的负压。 根据本专利技术的一个实施例，所述反力支撑装置的重量为15-30吨。 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备还包括对所述反力支撑装置进行密封的密封装置，以在深海高压力下进行密封，使得反力支撑装置可以在密封干燥的环境下工作。 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备还包括水土分离装置，所述水 土分离装置与所述排水排气管连接，用于对流经所述排水排气管内的水执行水土分离。 根据本专利技术的一个实施例，所述钻进装置包括钻杆；钻进位置传感器，用于检测 钻杆钻进到预定位置后，触发钻进停止信号；以及用于驱动钻杆钻进的电机，所述电机在接 收到所述停止信号之后停止驱动。 根据本专利技术的一个实施例，所述控制装置配置成用于自动执行下述中的至少之5一 钻杆连接过程控制、钻杆自动推进控制以及钻进数据测量和处理控制。 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备还包括水下监控装置，用于在水下作业时进行过程监控。 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备还包括岩土工程反馈分析与评 价装置，用于对所述钻进参数进行分析和评价。 根据本专利技术的一个实施例，所述水下岩土钻探设备的水下勘探深度为30-1000m。 根据本专利技术的一个实施例，根据本专利技术的水下岩土钻探设备，在深度为30-1000m 的水下进行深海钻探，获得钻进速度，通过数值仿真和反馈分析，建立勘探数据与岩土特性 的定量关系，对岩土工程特性进行合理评价。 根据本专利技术的另外一个实施例，提供了一种水下岩土勘探方法，该方法采用上述水下岩土钻探设备进行勘探。其步骤为 将所述水下岩土钻探设备下沉至水下岩土区域； 利用所述真空形成装置将所述水下岩土钻探设备吸力贯入所述水下岩土区域内； 以及 利用钻杆执行水下岩土钻探。 根据本专利技术的水下岩土勘探方法，可用于反演分析岩石和土层的物理力学性态参 数，确定岩土材料的变形模量与强度指标，确定海洋岩土地基的承载能力。 本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明 本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中 图1是根据本专利技术的一个实施例的水下岩土钻探设备的反力支撑装置的结构示 意图； 图2是图1中所示的水下岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下岩土钻探设备，包括：反力支撑装置，用于为水下岩土钻探设备提供反力；真空形成装置，所述真空形成装置设置在所述反力支撑装置上，用于在反力支撑装置中产生负压；钻进装置，所述钻进装置设置在所述反力支撑装置内用于钻进钻杆；控制装置，所述控制装置设置在所述反力支撑装置内，用于控制钻杆的钻进；以及钻进数据测量和处理装置，所述钻进数据测量和处理装置用于测量并处理钻杆的钻进参数。

【技术特征摘要】
一种水下岩土钻探设备，包括反力支撑装置，用于为水下岩土钻探设备提供反力；真空形成装置，所述真空形成装置设置在所述反力支撑装置上，用于在反力支撑装置中产生负压；钻进装置，所述钻进装置设置在所述反力支撑装置内用于钻进钻杆；控制装置，所述控制装置设置在所述反力支撑装置内，用于控制钻杆的钻进；以及钻进数据测量和处理装置，所述钻进数据测量和处理装置用于测量并处理钻杆的钻进参数。2. 根据权利要求l所述的水下岩土钻探设备，还包括钻杆续接装置，所述钻杆续接装置与钻进装置相邻设置，用于续接所述钻杆。3. 根据权利要求2所述的水下岩土钻探设备，其中，所述钻杆续接装置包括至少一个联结钻杆；联结钻杆放置装置，所述联结钻杆放置装置用于容纳所述联结钻杆；旋转电机，所述旋转电机用于将联结钻杆放置装置旋转至预定位置；以及推进直线电机，所述推进直线电机用于推进已安置的联结钻杆，以与所述钻杆进行续接。4. 根据权利要求3所述的水下岩土钻探设备，其中，所述钻杆续接装置还包括卡盘联结装置，用于在联结钻杆和所述钻杆进行续接过程中进行卡接。5. 根据权利要求1所述的水下岩土钻探设备，其中，所述反力支撑装置包括钻杆放置和控制舱，用于容纳钻杆和所述控制装置；钻杆连接和推进舱，所述钻杆连接和推进舱与所述钻杆放置和容纳舱相连接，用于容纳所述钻进装置；真空钻进舱，所述真空钻进舱与所述钻杆连接和推进舱进行连接；以及贯入舱，所述贯入舱与所述真空钻进舱连接，用于贯入到水下岩土内。6. 根据权利要求5所述的水下岩土钻探设备，其中，所述真空钻进舱和所述贯入舱之间设置有分离板，用于防止水下岩土中的泥浆进入所述真空钻进舱。7. 根据权利要求5所述的水下岩土钻探设备，其中，所述负压为-SOkPa -SOkPa。8. 根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建民，张建红，张嘎，郑瑞华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]